氘等离子体辐照下第一壁防护材料的刻蚀与燃料滞留行为研究

题名	氘等离子体辐照下第一壁防护材料的刻蚀与燃料滞留行为研究
作者	乔丽
答辩日期	2019-05-27
授予单位	中国科学院大学
授予地点	北京
导师	王鹏
关键词	第一壁材料钨低活化钢氘等离子体燃料滞留与刻蚀 First wall material Tungsten Reduced-activation ferritic-martensitic steel Deuterium plasma Fuel retention and erosion
学位名称	工学博士
其他题名	无
学位专业	材料学
英文摘要	钨与低活化钢材料作为核聚变堆第一壁候选材料，将面临高通量粒子流、高热负荷、高通量高能中子等苛刻环境。针对边界等离子体与壁材料之间相互作用的重要性，及现阶段第一壁材料的刻蚀与燃料滞留基础研究的不足，本论文以不同结构钨材料以及低活化钢的燃料滞留与刻蚀关键问题为研究导向，选取聚变堆第一壁候选钨与低活化钢材料为研究对象，利用实验室直线等离子体源，开展模拟聚变堆服役条件边界等离子体辐照下第一壁钨与低活化钢防护材料的刻蚀与燃料滞留行为研究。论文通过系统的研究等离子体辐照下不同结构钨与低活化钢材料表面形貌、微观结构、燃料滞留和刻蚀率的变化规律，同时考察重离子模拟中子辐照对第一壁的损伤及等离子体辐照后燃料滞留与捕获的影响，为聚变实验堆的高参数稳态运行以及商用堆的设计工作提供基础数据与参考。本论文研究结果如下： 1.设计和研制了一台模拟聚变堆边界等离子体的实验室直线等离子体装置（LEPS）。该装置能够产生稳定状态的高斯分布的多种类约束等离子体。装置轴向磁场强度可达0.18T，等离子体电子密度约为1018m-3，离子束流最高可达1022ions/(m2s)，约束等离子体直径约为50mm。LEPS的搭建和运行为后续开展氘等离子体辐照实验提供了良好的研究基础。 2.基于LEPS装置，首先开展了氘等离子体辐照下钨第一壁材料燃料滞留行为实验。发现氘等离子体辐照通量大于4.3×1024D/m2时钨块表面出现气泡，且氘泡内部沿晶界处分布裂缝。随氘等离子体通量的升高，钨中氘的释放向高温区扩展，氘总滞留量增大。采用3.0MeV铁离子模拟中子对钨的辐照损伤，发现损伤区的晶界消失并伴随位错和位错团的形成。氘等离子体辐照后，随位移损伤程度的增大，表面气泡密度降低，高温区氘的释放明显增强，说明铁离子辐照后钨中出现更多氘的高能捕获位如空位等点缺陷。同时氘总滞留量随位移损伤程度增大，位移损伤为10dpa的样品中氘总滞留量比未损伤的提高约6倍。 3.采用钨氘共沉积层模拟研究装置中第一壁钨表面再沉积行为，发现共沉积层中氘总滞留量随沉积时氘气通量的增大而先增大后饱和，且随涂层厚度的提高而线性增大。氘等离子体辐照后，钨氘共沉积层中的氘释放峰显著增大且向低温区偏移，氘总滞留量随氘等离子体通量先增大后饱和。共沉积过程中引入的高密度缺陷俘获位，使其在氘等离子体辐照过程中仍能继续捕获大量氘原子，并导致其氘总滞留量随氘等离子体通量的增大速率比钨块的高。 4.氘等离子体辐照后，低活化钢的刻蚀率普遍低于纯铁的理论值，且刻蚀率随氘等离子体通量和样品温度的增加而减小，表面钨富集层厚度和钨含量增强，同时表面形貌也发生变化。几种不同低活化钢的刻蚀率随入射氘通量的变化趋势一致。针对氘等离子体辐照致低活化钢表面钨富集行为的研究发现，氘等离子体对低活化钢的刻蚀，使其表面出现明显的沟槽状结构，大量铁和铬等中Z原子被溅射，高Z钨原子逐渐在最表面富集，形成纳米团簇结构并覆盖在表面。这种钨富集结构以及表面形态粗糙度的变化均有助于降低氘等离子体对低活化钢的进一步刻蚀。 5.针对低活化钢中氘热脱附与滞留行为研究发现，样品温度大于470K时，低活化钢中氘总滞留量约为1×1018–2×1019D/m2，且随入射氘通量的增大而降低。随样品表面温度和粗糙度的增大，氘的有效扩散率升高，低活化钢中氘总滞留量均明显降低。3.5MeV铁或3.0MeV镍离子辐照模拟中子辐照时，低活化钢位移损伤处出现非晶化团簇结构。在位移损伤通量大于2dpa时，晶界或边界结构变得模糊并伴随位错团等缺陷的形成。本参数下镍离子辐照并未造成样品氘热脱附行为的变化，而铁离子辐照后，样品中氘的低能俘获位增多，氘热脱附峰向低温区偏移。重离子辐照损伤后，低活化钢中氘总滞留量的增大量小于56%远低于钨块的。
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.licp.cn/handle/362003/25296]
专题	中国科学院兰州化学物理研究所
作者单位	1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学
推荐引用方式 GB/T 7714	乔丽. 氘等离子体辐照下第一壁防护材料的刻蚀与燃料滞留行为研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2019.